生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)西葫蘆生物性狀、土壤營養(yǎng)和微生物群落的影響

趙彥敏 梁玉紅 劉齊光 楊樹寶 韓振英 鄭博 岳鵬 李明威

摘要：為明確生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)冀西北地區(qū)西葫蘆生物性狀、果實(shí)品質(zhì)及土壤營養(yǎng)、微生物群落的影響，以西葫蘆‘早青一代’為材料，進(jìn)行3種不同施肥水平處理試驗(yàn)。與不施肥（對(duì)照）相比，生物質(zhì)炭基有機(jī)肥能明顯提高西葫蘆植株株高、莖粗度，改善土壤營養(yǎng)和微生物菌落，增加土壤中磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量。該地區(qū)最佳有機(jī)肥施用量為1500 kg/hm2，末瓜期該施肥水平下，株高、莖粗明顯增加，分別比對(duì)照增加22.8%、16.7%。宏基因組測序結(jié)果表明，生物質(zhì)炭基有機(jī)肥增加了子囊菌門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度，減少了被孢霉門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度，新增隱真菌門和未知新真菌種類。施肥1000 kg/hm2時(shí)根際土壤微生物OTU最多，達(dá)到811個(gè)。研究結(jié)果可為生物質(zhì)炭基有機(jī)肥在冀西北地區(qū)西葫蘆生產(chǎn)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭基有機(jī)肥；西葫蘆；果實(shí)品質(zhì)；土壤營養(yǎng)；土壤微生物

中圖分類號(hào)：S513文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas2020-0141

Effects of Biochar-based Organic Fertilizers on Biological Characters， Soil Nutrients and Microbial Communities of Cucurbita pepo ZHAO Yanmin1， LIANG Yuhong2， LIU Qiguang3， YANG Shubao4， HAN Zhenying4， ZHENG Bo1， YUE Peng1， LI Mingwei1（1Zhangjiakou Open University， Zhangjiakou 075000， Hebei， China；2Zhangjiakou Agricultural Radio and TV School in Hebei， Zhangjiakou 075000， Hebei， China；3Zhangjiakou Seed Management Station， Zhangjiakou 075000， Hebei， China； 4Agricultural and Rural Bureau of Huaian County， Zhangjiakou 075000， Hebei， China）

Abstract： To determine the effects of biochar- based organic fertilizers on the biological characters， fruit quality， soil nutrients and microbial communities of Cucurbita pepo in northwest Hebei， three treatments with different fertilization levels were carried out with C. pepo‘Zaoqingyidai’. Compared with the no fertilization（control）， biochar-based organic fertilizers could significantly increase plant height and stem diameter of C. pepo. Meantime， soil nutrients and microbial communities， and the content of P， K and organic matter in soil were also improved. The fertilization treatment of 1500 kg/hm2was the best in the study， under which， the plant height and stem diameter increased obviously， which were 22.8% and 16.7% more than those of control， respectively. The macro- genome sequencing results showed that biochar- based organic fertilizers could increase the relative abundance of Ascomycetes fungi expression， decrease the relative abundance of Sporomycetes fungi expression. The Russula was newly added. In the fertilization treatment of 1000 kg/hm2， the OTU number of rhizosphere soil microorganism was the most and reached 811. The results can provide a theoretical basis for the application of biochar- based organic fertilizers in the production of C. pepo in northwest Hebei.

Keywords： Biochar-based Organic Fertilizer； Cucurbita pepo； Fruit Quality； Soil Nutrients； Soil Microorganism

0引言

生物炭是生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下高溫裂解產(chǎn)生的一種固體產(chǎn)物，具有孔隙度好、吸附能力強(qiáng)、富含碳元素、礦質(zhì)養(yǎng)分等特性，是一種集肥料、吸附劑和改良劑于一體的新型材料[1-2]。眾多研究表明，生物質(zhì)炭具有改良土壤質(zhì)地、增加土壤持水量和養(yǎng)分含量、增強(qiáng)土壤微生物活性、提高土壤肥力等功效[3-7]。王瀟敏等[8]將膠凍樣芽孢桿菌與生物質(zhì)炭進(jìn)行復(fù)配，發(fā)現(xiàn)能夠增加番茄果實(shí)中鉀、Vc含量，降低硝酸鹽含量，對(duì)番茄產(chǎn)量的增加和品質(zhì)的改善有促進(jìn)作用。在辣椒生產(chǎn)中，隨著生物炭用量的增加，土壤營養(yǎng)物質(zhì)如有效磷、速效鉀等含量迅速上升；微生物代謝能力、多樣性及均勻度均與其用量呈倒U型曲線關(guān)系；1.33%生物炭用量對(duì)辣椒疫病的防效最好[9]；辣椒果長會(huì)減小，果徑會(huì)增大，果形指數(shù)變化不大[10]。王淑君等[11]明確，施入生

物炭基肥不僅可提高花生根際土壤銨態(tài)氮和速效鉀含量、植株氮鉀養(yǎng)分吸收和水分生產(chǎn)率，對(duì)植株的抗旱能力也有一定的提高。李中陽等[12]發(fā)現(xiàn)，小麥中施入生物質(zhì)炭顯著增加了冬小麥莖蘗數(shù)、有效穗數(shù)和產(chǎn)量；施用量為40 t/hm2的生物質(zhì)炭處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及根系生長的促進(jìn)作用最為顯著。王峰等[13]采用15N同位素示蹤技術(shù)，研究了生物質(zhì)炭配施氮肥對(duì)茶樹生長及氮素利用率的影響，結(jié)果表明，生物質(zhì)炭配施氮肥促進(jìn)了茶樹對(duì)氮的吸收，增加土壤氮素持留，提高了氮素利用率。生物炭基有機(jī)肥已投入辣椒、番茄的蔬菜生產(chǎn)中，起到明顯的增產(chǎn)、改善品質(zhì)的功效，而生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)西葫蘆保肥和增產(chǎn)的影響研究還未見相關(guān)報(bào)道。本研究主要分析不同用量生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)冀西北地區(qū)西葫蘆生長、品質(zhì)和產(chǎn)量等方面的影響，以期為生物質(zhì)炭基有機(jī)肥在該地區(qū)蔬菜生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

田間試驗(yàn)于2019年在河北省張家口市橋東區(qū)姚家莊鎮(zhèn)南莊村進(jìn)行，室內(nèi)試驗(yàn)在河北北方學(xué)院實(shí)驗(yàn)室和北京奧維森基因科技有限公司進(jìn)行。張家口（113°50′—116°30′E，39°30′—42°10′N）地勢西北高、東南低，陰山山脈橫貫中部，將張家口劃分為壩上、壩下2個(gè)部分，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為330～400 mm，屬半干旱地區(qū)，水資源嚴(yán)重不足。

1.2試驗(yàn)處理

供試生物質(zhì)炭基有機(jī)肥由張家口市萬生生物技術(shù)有限公司提供，其中生物質(zhì)炭（玉米秸稈）占20%、有機(jī)肥占80%。以西葫蘆‘早青一代’為材料，以不施生物質(zhì)炭基有機(jī)肥為對(duì)照（CK）。生物質(zhì)炭基有機(jī)肥用量設(shè)500、1000、1500 kg/hm23個(gè)水平（編號(hào)T1、T2和T3）。每處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2（5 m×4 m）。小區(qū)設(shè)置好后將生物質(zhì)炭撒施在相應(yīng)小區(qū)，并人工翻埋混勻，翻耕深度約12 cm。生物質(zhì)炭基有機(jī)肥為一次性施用，之后不再施用。其他管理同高產(chǎn)田。

1.3測定項(xiàng)目與方法

1.3.1西葫蘆生物性狀、果實(shí)品質(zhì)測定采用5點(diǎn)取樣法，分別于西葫蘆初花期、初瓜期、末瓜期測量植株高度、莖粗度、功能葉葉綠素含量。取末瓜期果實(shí)，分別利用北京索萊寶科技有限公司試劑盒測定果實(shí)可溶性糖、淀粉含量。每小區(qū)5株，每株3個(gè)果實(shí)。

1.3.2西葫蘆根際土壤營養(yǎng)物質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)測定于末瓜期，利用5點(diǎn)取樣法取根際土（根際20 cm以內(nèi)）。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)，采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷，采用堿解擴(kuò)散法測定堿解氮。

在各小區(qū)取根際土，5點(diǎn)混合取樣?；旌暇鶆蚝?，按四分法取部分土樣裝入已經(jīng)滅菌的無菌袋中。土樣于4℃冰箱內(nèi)存放，用于土壤真菌ITS多樣性分析（由北京奧維森基因科技有限公司完成）。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行均值計(jì)算，作圖。

2結(jié)果與分析

2.1生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)西葫蘆生物性狀、果實(shí)品質(zhì)的影響

隨著西葫蘆生育進(jìn)程的推進(jìn)，株高、莖粗逐漸升高。不同生育期，同一施肥處理水平下植株高度、莖粗度增加速度隨施肥量的增加而加快，且明顯高于CK。末瓜期，施肥處理T3植株株高為最高，達(dá)到129 cm；莖粗度為最大，達(dá)到35.3 mm（圖1）。

圖2為末瓜期西葫蘆果實(shí)品質(zhì)測定結(jié)果。施肥處理T2和T3果實(shí)可溶性糖含量低于CK，而施肥處理T1，明顯高于CK。施肥處理T1和T2果實(shí)淀粉含量高于CK，施肥處理T3低于CK。不同施肥水平間淀粉含量差異不明顯。

2.2生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)西葫蘆根際土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響

經(jīng)測定，末瓜期西葫蘆根際土壤（20 cm內(nèi)）營養(yǎng)物質(zhì)含量隨著施肥量的增加而增加。在3個(gè)施肥處理水平下，除堿解氮含量外，其他3種營養(yǎng)物質(zhì)含量均明顯高于CK。與CK相比，施肥處理T3的速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量增加幅度最大（圖3）。

2.3生物質(zhì)炭基有機(jī)肥對(duì)西葫蘆根際土壤真菌群落的影響

利用高通量測序技術(shù)，對(duì)不同施肥處理下西葫蘆根際土壤真菌ITS序列進(jìn)行了測序。經(jīng)雙端拼接、質(zhì)量控制、嵌合體過濾后，進(jìn)行高質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。測序結(jié)果（圖4）表明，多數(shù)序列標(biāo)簽的長度為200～260之間。CK含有743個(gè)OUT（operational taxonomic unit），施肥處理T1含有719個(gè)OUT，施肥處理T2含有811個(gè)OUT，施肥處理T3含有755個(gè)OTU。OTU數(shù)目越多，表示含有較多的微生物種類。與CK比較，T1、T2、T3處理中特有的OTU數(shù)目分別為64、90、76。

根據(jù)物種豐度表和物種注釋表，選取豐度最高的20個(gè)物種分類，進(jìn)行相對(duì)豐度計(jì)算，繪制樣品豐度比較的柱狀圖（圖5）。從圖中可以看出，不同施肥水平處理下，西葫蘆根際土壤中真菌不同類群的相對(duì)豐度變化不同。與CK相比，各施肥水平處理均增加了子囊菌門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度，減少了被孢霉門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度。尤其是在T3處理水平下，子囊菌相對(duì)豐度值為最大，被孢霉相對(duì)豐度值為最小。T2和T3處理水平下，新增加了隱真菌門和未知新真菌種類。

圖6為不同真菌在屬級(jí)水平相對(duì)豐度圖。在T3處理水平下，紅菇屬菌為新增加真菌。其余真菌為CK和施肥處理下均含有的種類。不同處理下各真菌表達(dá)相對(duì)豐度變化不同。

3結(jié)論

研究明確了在冀西北地區(qū)，生物質(zhì)炭基有機(jī)肥能明顯提高西葫蘆植株株高、莖粗度，增加土壤中磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量。施肥處理1500 kg/hm2為該地區(qū)最佳的施用量。T2和T3處理增加了子囊菌門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度、減少了被孢霉門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度，新增加了隱真菌門和未知新真菌種類。施肥處理1000 kg/hm2時(shí)根際土壤微生物OTU最多。

4討論

生物質(zhì)炭基有機(jī)肥是利用生物炭與養(yǎng)分元素結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合肥料，具有改良土壤、延緩養(yǎng)分釋放和提高作物養(yǎng)分吸收等功效。研究報(bào)道，生物質(zhì)炭因富含P、K、Mg、Ca等元素，施入后土壤能夠影響其各種養(yǎng)分的含量。劉小虎等[14]發(fā)現(xiàn)，種植花生的土壤在施用炭基肥后養(yǎng)分含量顯著增加。杜衍紅等[15]研究表明，與不施生物質(zhì)炭的對(duì)照處理相比，稻殼生物質(zhì)炭的添加導(dǎo)致土壤速效氮含量下降10%。張文娟等[16]的研究表明，生物炭添加量、灌水量及其交互作用對(duì)土壤銨態(tài)氮含量均有顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，除氮含量外，施用生物質(zhì)炭基有機(jī)肥植株根際土壤磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量明顯增加。土壤有效磷和速效鉀含量的增加可能有利于提高植株抗病性。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)，在施肥處理T2和T3下，西葫蘆果實(shí)可溶性糖含量下降，且明顯低于CK。與李大偉等[6]研究的結(jié)果一致。

本研究利用宏基因組測序法，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭基有機(jī)肥處理明顯增加了子囊菌門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度、減少了被孢霉門真菌表達(dá)的相對(duì)豐度，新增加了隱真菌門和未知新真菌種類。研究表明，生物質(zhì)炭可以增強(qiáng)土壤微生物活性，提高土壤肥力。而土壤微生物活性變化對(duì)土壤肥力的影響還有待于進(jìn)一步研究。

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